Доктор Сонг Янг, Доктор Руи Пенг, Дэйл К. Хенсли, Д-Р Питер В. Боннесен, Доктор Л. Лян, Доктор З. Ву, Д-р Гарри М. Мейер III, Доктор M. Чи, Доктор Ченг Ма, Доктор Бобби Самптер Г., Доктор Адам Дж. Рондиноне в Center for Nanophase Materials Sciences, which is a Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, создали аппаратуру электрохимической конверсии CO2 в этанол.
Впервые опубликовано 28 сентября 2016
Они руководствовались идеей, что создание углеродного цикла с использованием CO2 в качестве сырья позволит вытеснить ископаемое углеродное сырье в будущем. Прямое электрохимическое преобразование CO2 возможно катализаторами на основе металлов, таких как медь, платина, железо, олово, серебро, и золото. Медь является, пожалуй, самым известным металлом-катализатором для этого процесса, способного электрохимически преобразовать CO2 в более чем 30 различных продуктов, включая монооксид углерода (CO), муравьиную кислоту (НСООН), метан (СН4) и этилен (с2н4) и Этан (с2н6), но эффективность и селективность для любого продукта, более тяжелого, чем метан слишком низка для практического использования. Теоретические исследования предсказывают, что графен-поддержала наночастиц позволит повысить каталитическую активность и стабилизировать продукты получаемые из CO2
Они создали легированные азотом, покрытые несколькими слоями графена электроды, которые имеют на поверхности интенсивные складки и спайки, как бы углеродные наноострия или CNS. Структура CNS является неупорядоченной из-за высокого содержания азота, который предотвращает упорядочение укладки. На остриях при подаче тока идёт реакция.
где Е0 – это равновесный потенциал. Хотя механизм реакции еще не выяснен, было предпожено, что взаимодействие между соседними каталитическими сайтами способствует наноструктурная морфология катализатора, который предотвращает электрохимическое восстановление для этилена и этана, в результате чего получается высокий выход этанола.
Рис. 1.
Электрод С (А) низкое и (Б) большое увеличение. Средний размер частиц составляет около 39 нм (C), измеряемую на автоматизированных размеров частиц на микрофотографии..
Рис. 2.
Электроосажденные наночастицы меди на электроде. Электроосажденные частицы вмурованы в N-допированные углеродные наноострия, обеспечивая плотный контакт между медной поверхностью и реакторной частью.
Рис. 3.
Кривые зависимости от напряжения от 0,05 В С-1 в 0,1 м до -1.2 в. на разных электродах: углеродные наноострия или CNS (черный), стеклоуглерод (красный) и Cu/CNS (синие).
Рис. 4.
Эффективность фракционного выхода электрохимических продуктов при различных потенциалах. При -1.2 в (Рис. 4 А), выход этанола доёт самую высокую эффективность 63 % (то есть 63 % электронов, проходящих через электроды создавали этанол, а выход метана и CO упал до 6,8 % и 5,2 %, соответственно. Это означает, что в наилучших условиях, избирательность механизма превращения CO2 в этанол составляет 84 %.
Снижение выхода этанола выше -1.2 говорит о том, что катализатор достиг предела своих возможностей.
Рис. 5.
Парциальные плотности тока при различных потенциалах.
Рис. 6.
(А) И (Б) ч.4 парциальные плотности тока Тафелевы участки.